疫苗、血液制品、酶制劑等生物制品對溫度極其敏感，多次凍融會嚴重破壞其活性。然而，現有監測技術無法直觀顯示凍融次數，且依賴復雜設備。3月3日，中國科學院深圳先進技術研究院智能醫用材料與器械研究中心杜學敏研究員團隊，在結構色液體用于凍融可視化監測方面取得重要研究進展。相關成果以“Structural color liquids with sol-gel irreversibility for visualized freeze‐thaw monitoring”為題，發表在Advanced Functional Materials。該研究發展了一種在凍融循環下會發生不可逆溶膠-凝膠轉變的結構色液體，基于結構色液體的顏色變化，可精準記錄凍融歷史，為生物制品的質量控制提供了全新解決方案。
該凍融監測結構色液體（FT-SCLs）由聚苯乙烯-丙烯酸（PS）膠體顆粒在聚乙烯醇（PVA）懸浮液中組裝而成（圖1）。PS膠體顆粒在液體中形成規則排列的晶片。通過改變PS膠體顆粒的尺寸（181~225 nm），FT-SCLs的初始顏色可定制為紅、綠、藍等不同顏色，以滿足不同場景的需求。雖然是液體狀態，FT-SCLs依然具有出色的穩定性。在常規冷鏈溫度（-20 ℃至8 ℃）下，FT-SCLs顏色可保持穩定數十天，有效避免錯誤報警。
圖1 FT-SCLs的構建與表征。（A-B）FT-SCLs的構建。（C-E）FT-SCLs的結構、顏色與光譜表征。（F-G）FT-SCLs的穩定性。
在反復的凍融循環下，FT-SCLs會發生從溶膠狀態到凝膠狀態的不可逆相變，進而帶來顏色從紅到綠的逐步變化（圖2）。在最為常見的凍融條件下（-20 ℃冷凍、8 ℃融化），FT-SCLs隨凍融次數的增加，其顏色逐步從初始的紅色變為橙色、黃色和綠色。變為綠色后，無論是長時間置于冷凍或融化狀態下，其顏色均不會發生回復，意味FT-SCLs可實現對凍融過程的可靠可視化監測。特別值得注意的是，FT-SCLs具有靈活調控的響應溫度和精準適配的響應閾值。通過調節PVA的醇解度（從88%到80%），FT-SCLs的觸發溫度可低至-30 ℃，適用于超低溫存儲場景。通過添加植酸（PA），可加速凝膠化，進而定制FT-SCLs的響應閾值，使單次凍融便觸發顯著的顏色變化，滿足疫苗等高敏感場景需求。
圖2 FT-SCLs的凍融監測性能。（A-D）FT-SCLs在不同觸發溫度下的凍融監測性能。（E-G）PA添加對FT-SCLs響應閾值的調控。
此外，該研究揭示了FT-SCLs在凍融循環中發生不可逆變色的機制（圖3）。FT-SCLs實現對凍融過程可視化監測的核心原理是不可逆的溶膠-凝膠相變。在凍融循環中，PVA分子逐漸結晶形成物理交聯網絡，導致FT-SCLs發生不可逆的溶膠-凝膠相變，壓縮PS顆粒的周期性排列結構，導致反射光波長藍移（從紅最終到綠）。由于這一溶膠-凝膠相變的過程不可逆，FT-SCLs的顏色變化僅隨凍融次數逐步推進，即使重新冷凍或室溫放置也無法復原，確保數據真實可靠、不可篡改。
圖3 FT-SCLs的凍融監測原理。（A-E）FT-SCLs隨凍融循環的結晶度變化及溶膠-凝膠轉變。（F）FT-SCLs隨凍融循環的結構變化。
進一步，該研究評估了FT-SCLs在模擬真實場景下的應用表現（圖4）。在疫苗質控方面，將含10% PA的FT-SCLs標簽貼于疫苗瓶，兩次凍融后，標簽顏色從紅變綠，反射峰偏移36 nm，可直觀警示疫苗失效風險。在血液保存方面，貼在模擬血袋外包裝的FT-SCLs標簽，顏色隨凍融次數增加，發生由紅到黃最后到綠的逐步變化，結合比色卡，醫護人員可據此快速判斷血液制品的可用性。在酶活性追蹤方面，同步監測辣根過氧化物酶（HRP）活性發現，FT-SCLs標簽顏色變化與酶活性損失（12%~27%）高度相關，有望替代復雜酶活性檢測試劑盒。并且，FT-SCLs扣除生產環節因素后，成本低至約0.2元，相較現有商品化標簽有著顯著優勢。
圖4 FT-SCLs的應用驗證。（A-B）疫苗凍融監測。（C-E）血液制品凍融監測。（F-G）生物酶凍融監測。（H-I）FT-SCLs與現有產品的對比。
這種低成本、高可靠性的可視化凍融監測方案，不僅為生物醫藥領域冷鏈物流保駕護航，更將推動細胞凍存、食品工業等多個領域的智能化升級。或許在不久的將來，每一支疫苗、每一株抗體都會自帶“顏色警報”，讓安全與信任觸手可及。
中國科學院深圳先進技術研究院智能醫用材料與器械研究中心杜學敏研究員為該論文的通訊作者，趙啟龍副研究員為第一作者，黃超博士為該論文共同作者。該論文獲得國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院青年創新促進會、廣東省重點、深圳市杰青和深圳市醫學研究基金等科技項目支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202500381
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